Implantação: conceito, princípio de funcionamento, métodos, finalidade e aplicação

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

Ion implantação é um processo de baixa temperatura pelo qual os componentes de um único elemento são acelerados na superfície sólida de um wafer, alterando assim suas propriedades físicas, químicas ou elétricas. Este método é utilizado na produção de dispositivos semicondutores e no acabamento de metais, bem como na pesquisa em ciência dos materiais. Os componentes podem alterar a composição elementar da placa se pararem e permanecerem nela. A implantação de íons também causa mudanças químicas e físicas quando os átomos colidem com um alvo em alta energia. A estrutura cristalina da placa pode ser danificada ou mesmo destruída por cascatas de energia de colisões, e partículas de energia suficientemente alta (10 MeV) podem causar transmutação nuclear.

Princípio geral de implantação iônica

Os equipamentos geralmente consistem em uma fonte onde são formados os átomos do elemento desejado, um acelerador onde são acelerados eletrostaticamente a uma altaenergia e câmaras-alvo onde colidem com o alvo, que é o material. Assim, este processo é um caso especial de radiação de partículas. Cada íon é geralmente um único átomo ou molécula e, portanto, a quantidade real de material implantado no alvo é a integral do tempo da corrente do íon. Esse número é chamado de dose. As correntes fornecidas pelos implantes são geralmente pequenas (microampères) e, portanto, a quantidade que pode ser implantada em um tempo razoável é pequena. Portanto, a implantação iônica é usada nos casos em que o número de alterações químicas necessárias é pequeno.

As energias de íons típicas variam de 10 a 500 keV (1600 a 80000 aJ). A implantação de íons pode ser usada em baixas energias na faixa de 1 a 10 keV (160 a 1600 aJ), mas a penetração é de apenas alguns nanômetros ou menos. A potência abaixo disso resulta em muito pouco dano ao alvo e cai sob a designação de deposição de feixe de íons. E energias mais altas também podem ser usadas: aceleradores capazes de 5 MeV (800.000 aJ) são comuns. No entanto, geralmente há muitos danos estruturais no alvo e, como a distribuição de profundidade é ampla (pico de Bragg), a mudança líquida na composição em qualquer ponto do alvo será pequena.

A energia dos íons, assim como os diferentes tipos de átomos e a composição do alvo, determinam a profundidade de penetração das partículas em um sólido. Um feixe de íons monoenergético geralmente tem uma ampla distribuição de profundidade. A penetração média é chamada de alcance. NOem condições típicas será entre 10 nanômetros e 1 micrômetro. Assim, a implantação de íons de baixa energia é particularmente útil nos casos em que se deseja que a mudança química ou estrutural esteja próxima da superfície alvo. As partículas perdem gradualmente sua energia à medida que passam por um sólido, tanto por colisões aleatórias com átomos-alvo (que causam transferências abruptas de energia) quanto por uma leve desaceleração da sobreposição de orbitais de elétrons, que é um processo contínuo. A perda de energia de íons em um alvo é chamada de estol e pode ser modelada usando o método de implantação de íons da aproximação de colisão binária.

Os sistemas aceleradores são geralmente classificados em média corrente, alta corrente, alta energia e dose muito significativa.

Todas as variedades de projetos de feixes de implantação iônica contêm certos grupos comuns de componentes funcionais. Considere exemplos. Os primeiros fundamentos físicos e físico-químicos da implantação iônica incluem um dispositivo conhecido como fonte geradora de partículas. Este dispositivo está intimamente associado a eletrodos polarizados para extração de átomos na linha de feixe e, na maioria das vezes, a alguns meios de selecionar modos específicos de transporte para a seção principal do acelerador. A seleção de "massa" é muitas vezes acompanhada pela passagem do feixe de íons extraído por uma região de campo magnético com um caminho de saída limitado por orifícios de bloqueio ou "ranhuras" que permitem apenas íons com um determinado valor do produto de massa e velocidade. Se a superfície alvo for maior que o diâmetro do feixe de íons ese a dose implantada for distribuída mais uniformemente sobre ela, então alguma combinação de varredura de feixe e movimento da placa é usada. Finalmente, o alvo é conectado a alguma forma de coletar a carga acumulada dos íons implantados para que a dose entregue possa ser medida continuamente e o processo parado no nível desejado.

Aplicação na fabricação de semicondutores

Doping com boro, fósforo ou arsênico é uma aplicação comum deste processo. Na implantação iônica de semicondutores, cada átomo dopante pode criar um portador de carga após o recozimento. Você pode construir um buraco para um dopante tipo p e um elétron tipo n. Isso altera a condutividade do semicondutor em sua vizinhança. A técnica é usada, por exemplo, para ajustar o limiar de um MOSFET.

A implantação de íons foi desenvolvida como método de obtenção de uma junção pn em dispositivos fotovoltaicos no final dos anos 1970 e início dos anos 1980, juntamente com o uso de um feixe de elétrons pulsado para recozimento rápido, embora não tenha sido comercializado até o momento.

Silicon no isolante

Um dos métodos mais conhecidos para a produção deste material em substratos isolantes (SOI) a partir de substratos convencionais de silício é o processo SIMOX (separação por implantação de oxigênio), no qual alta dose de ar é convertida em óxido de silício através de um processo de recozimento de alta temperatura.

Mesotaxia

Este é o termo para crescimento cristalograficamentefase coincidente sob a superfície do cristal principal. Nesse processo, os íons são implantados em uma energia suficientemente alta e doseados no material para criar uma segunda camada de fase, e a temperatura é controlada para que a estrutura alvo não seja destruída. A orientação do cristal da camada pode ser projetada para atender a finalidade, mesmo que a constante de rede exata possa ser muito diferente. Por exemplo, após a implantação de íons de níquel em uma pastilha de silício, uma camada de silício pode ser cultivada na qual a orientação do cristal corresponde às do silício.

Aplicação de acabamento em metal

Nitrogênio ou outros íons podem ser implantados em um alvo de aço ferramenta (como uma broca). A mudança estrutural induz a compressão da superfície do material, o que evita a propagação de trincas e assim o torna mais resistente à fratura.

Acabamento da superfície

Em algumas aplicações, por exemplo para próteses como articulações artificiais, é desejável ter um alvo que seja altamente resistente tanto à corrosão química quanto ao desgaste por fricção. A implantação de íons é usada para projetar as superfícies de tais dispositivos para um desempenho mais confiável. Assim como acontece com os aços ferramenta, a modificação do alvo causada pela implantação de íons inclui compressão da superfície para evitar a propagação de trincas e liga para torná-lo mais resistente quimicamente à corrosão.

Outroaplicações

A implantação pode ser usada para obter a mistura de feixes de íons, ou seja, a mistura de átomos de diferentes elementos na interface. Isso pode ser útil para obter superfícies graduadas ou melhorar a adesão entre camadas de materiais imiscíveis.

Formação de nanopartículas

Ion implantação pode ser usado para induzir materiais em nanoescala em óxidos como safira e dióxido de silício. Os átomos podem ser formados como resultado da precipitação ou da formação de substâncias misturadas que contêm tanto um elemento implantado por íon quanto um substrato.

As energias típicas de feixes de íons usadas para obter nanopartículas estão na faixa de 50 a 150 keV, e a fluência de íons é de 10-16 a 10-18 kV. ver Uma grande variedade de materiais pode ser formada com tamanhos de 1 nm a 20 nm e com composições que podem conter partículas implantadas, combinações que consistem apenas de um cátion ligado ao substrato.

Materiais à base de dielétricos, como a safira, que contêm nanopartículas dispersas de implantação de íons metálicos, são materiais promissores para optoeletrônica e óptica não linear.

Problemas

Cada íon individual produz muitos defeitos pontuais no cristal alvo por impacto ou intersticial. As vagas são pontos de rede não ocupados por um átomo: neste caso, o íon colide com o átomo alvo, o que leva à transferência de uma quantidade significativa de energia para ele, de modo que sai de suaenredo. Este próprio objeto alvo torna-se um projétil em um corpo sólido e pode causar sucessivas colisões. Os interstícios ocorrem quando essas partículas param em um sólido, mas não encontram espaço livre na rede para viver. Esses defeitos pontuais durante a implantação de íons podem migrar e se agrupar, levando à formação de loops de deslocamento e outros problemas.

Amorfização

A quantidade de dano cristalográfico pode ser suficiente para fazer a transição completa da superfície alvo, ou seja, ela deve se tornar um sólido amorfo. Em alguns casos, a amorfização completa do alvo é preferível a um cristal com alto grau de defeito: tal filme pode crescer novamente a uma temperatura mais baixa do que a necessária para recozimento de um cristal severamente danificado. A amorfização do substrato pode ocorrer como resultado de mudanças no feixe. Por exemplo, ao implantar íons de ítrio em safira em uma energia de feixe de 150 keV até uma fluência de 510-16 Y+/sq. cm, forma-se uma camada vítrea de aproximadamente 110 nm de espessura, medida a partir da superfície externa.

Spray

Alguns dos eventos de colisão fazem com que os átomos sejam ejetados da superfície e, assim, a implantação de íons irá lentamente corroer a superfície. O efeito é perceptível apenas para doses muito grandes.

Canal iônico

Se uma estrutura cristalográfica é aplicada ao alvo, especialmente em substratos semicondutores onde é maisestá aberto, então direções específicas param muito menos do que outras. O resultado é que o alcance de um íon pode ser muito maior se ele se mover exatamente ao longo de um determinado caminho, como em silício e outros materiais cúbicos de diamante. Este efeito é chamado de canalização iônica e, como todos os efeitos semelhantes, é altamente não linear, com pequenos desvios da orientação ideal resultando em diferenças significativas na profundidade de implantação. Por esse motivo, a maioria corre alguns graus fora do eixo, onde pequenos erros de alinhamento terão efeitos mais previsíveis.